徐 楠， 俞 兵， 史學(xué)舜， 張鵬舉，范紀(jì)紅， 劉志偉， 林延?xùn)|

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院， 北京 100029； 2. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；3. 中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東 青島 266555)

1 引 言

絕對(duì)輻射計(jì)是最早用于作為光輻射計(jì)量基準(zhǔn)的探測(cè)器。絕對(duì)輻射計(jì)中的光接收面是一層吸收系數(shù)比較高的黑色物質(zhì)構(gòu)成的，接收光照射后會(huì)產(chǎn)生溫升。絕對(duì)輻射計(jì)的工作原理就是利用光輻射加熱和電加熱的等效性來測(cè)量光輻射功率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，常溫絕對(duì)輻射計(jì)經(jīng)歷了多次不斷的改進(jìn)，到20世紀(jì)80年代，使用常溫絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)量光輻射功率的不確定度水平已經(jīng)接近0.1%;然而由于工作在常溫環(huán)境下，絕對(duì)輻射計(jì)受到材料、環(huán)境等諸多因素的影響，其測(cè)量不確定度難以進(jìn)一步改善。

通過改進(jìn)英國NPL用于測(cè)量斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)和復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫度的系統(tǒng)，到20世紀(jì)80年代中期，Martin J 等建立了第一個(gè)測(cè)量光輻射功率達(dá)到10-4不確定度水平的裝置——低溫輻射計(jì)[1,2]。低溫輻射計(jì)是工作在真空、低溫(～4K)條件下的絕對(duì)輻射計(jì)，其工作原理和絕對(duì)輻射計(jì)是相同的，但由于工作在液氦溫度所以突破了常溫下環(huán)境和材料的限制，并且真空、超導(dǎo)技術(shù)基本隔絕了熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)，因此低溫輻射計(jì)的測(cè)量不確定度比常溫絕對(duì)輻射計(jì)降低了約一個(gè)量級(jí)，顯示出了極其卓越的性能，成為光輻射計(jì)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。低溫輻射計(jì)達(dá)到光輻射探測(cè)最低不確定度，成為國際上公認(rèn)的光輻射測(cè)量最準(zhǔn)確的方法[3]。除光譜透射比和反射比等量綱為一的物理量外，如激光功率、探測(cè)器響應(yīng)度、光度、輻射照度與輻射亮度響應(yīng)度等關(guān)鍵光輻射量值均可以與低溫輻射計(jì)建立聯(lián)系并由此提高相應(yīng)量的測(cè)量準(zhǔn)確度[4～11]。

為提高光學(xué)相關(guān)量值的測(cè)量準(zhǔn)確度， 驗(yàn)證不同實(shí)驗(yàn)室間的低溫輻射計(jì)裝置的一致性，由中國計(jì)量科學(xué)研究院作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織了低溫輻射計(jì)比對(duì)，參比實(shí)驗(yàn)室包括中國電子科技集團(tuán)第四十一研究所與西安應(yīng)用光學(xué)研究所。比對(duì)自2021年10月起，于2021年12月底完成。比對(duì)結(jié)果將為各實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器量值源頭——低溫輻射計(jì)的量值一致性提供參考依據(jù)。

2 比對(duì)方法與路線

2.1 比對(duì)方法

此次實(shí)驗(yàn)室間的比對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)的傳遞方式為：中國計(jì)量科學(xué)研究院(簡稱中國計(jì)量院)校準(zhǔn)傳遞探測(cè)器后發(fā)送給中國電子科技集團(tuán)第四十一研究所(簡稱中電科41所)，經(jīng)中電科41所校準(zhǔn)后發(fā)送給中國計(jì)量院，經(jīng)中國計(jì)量院校準(zhǔn)后再發(fā)送給西安應(yīng)用光學(xué)研究所(簡稱西安205所)，經(jīng)西安205所校準(zhǔn)后返回中國計(jì)量院校準(zhǔn)。在此過程中中國計(jì)量院負(fù)責(zé)在發(fā)送前后檢測(cè)傳遞標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性。

2.2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)

由于整套系統(tǒng)的復(fù)雜難以通過搬運(yùn)至同一實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，低溫輻射計(jì)通常通過對(duì)傳遞探測(cè)器進(jìn)行功率響應(yīng)度定標(biāo)的方法進(jìn)行比對(duì)。雖然這樣比對(duì)的不確定度稍大于低溫輻射計(jì)整體搬運(yùn)到一起的直接比對(duì)，但仍然能在絕大多數(shù)應(yīng)用范圍需要的不確定度內(nèi)證明低溫輻射計(jì)的準(zhǔn)確性與一致性。

此次比對(duì)選擇響應(yīng)度非常穩(wěn)定的陷阱探測(cè)器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器，并選擇常用且性能可靠的氦氖激光波長632.8 nm進(jìn)行傳遞探測(cè)器的功率響應(yīng)度比對(duì)。比對(duì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)由2只硅陷阱探測(cè)器與1套電流-電壓放大器(IV放大器)組成，均由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提供。硅陷阱探測(cè)器是3片式反射結(jié)構(gòu)，IV放大器的放大倍數(shù)溯源至國家電阻基準(zhǔn)與電壓基準(zhǔn)。各參比實(shí)驗(yàn)室利用各自的低溫輻射計(jì)裝置測(cè)量同一傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在632.8 nm激光波長下的功率響應(yīng)度，通過相互之間探測(cè)器功率響應(yīng)度標(biāo)定結(jié)果的比較從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室間低溫輻射計(jì)的量值比對(duì)。

2.3 測(cè)量裝置

各實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量裝置包括氦氖激光器、光功率穩(wěn)定系統(tǒng)、空間濾波器、光開關(guān)、光闌、低溫輻射計(jì)以及探測(cè)器定標(biāo)部分。首先利用低溫輻射計(jì)測(cè)量穩(wěn)定激光輸出的光功率，之后光路切換到傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器，由探測(cè)器響應(yīng)輸出光電流，通過IV放大器后用數(shù)字電壓表讀出輸出電壓，扣除暗背景后可計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的功率響應(yīng)度。

現(xiàn)有的低溫輻射計(jì)按照光入射真空的方式可分為激光窗口型與Y形窗口型兩種。中電科41所與西安205所的低溫輻射計(jì)為激光窗口型[12～14]。如圖1所示，低溫輻射計(jì)的真空入射窗口為布魯斯特窗口，在真空中測(cè)量經(jīng)窗口入射后的激光功率，之后激光入射到處于空氣中的傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行功率響應(yīng)度的測(cè)量，因此在測(cè)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的響應(yīng)度時(shí)還需進(jìn)行布魯斯特窗口的透射比測(cè)量。

圖1 布魯斯特窗口式低溫輻射計(jì)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Cryogenic radiometer system with Brewster window

中國計(jì)量院的低溫輻射計(jì)系統(tǒng)為Y形窗口型，如圖2所示，低溫輻射計(jì)與傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器處于同一真空腔內(nèi)，共用Y形窗口，從而低溫輻射計(jì)與傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在自動(dòng)切換時(shí)可以實(shí)現(xiàn)共光路的狀態(tài)，透射比始終保持不變，因此無需進(jìn)行真空窗口的透射比測(cè)量[15～18]。

圖2 Y形窗口式低溫輻射計(jì)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Cryogenic radiometer system with Y-shape window

3 比對(duì)結(jié)果

3.1 測(cè)量結(jié)果

表1至表3分別為各參比實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，包括兩個(gè)傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在632.8 nm下的功率響應(yīng)度、測(cè)量重復(fù)性以及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

表1 中電科41所測(cè)量結(jié)果Tab.1 Results measured by the 41th Research Institute of CETC

表2 西安205所測(cè)量結(jié)果Tab.2 Results measured by Xi’an Institute of Applied Optics

表3 中國計(jì)量院測(cè)量結(jié)果Tab.3 Results measured by National Institute of Metrology

中電科41所測(cè)量結(jié)果的合成測(cè)量不確定度為0.025%，不確定度分量包括低溫輻射計(jì)功率測(cè)量(含窗口透射比)、響應(yīng)電壓測(cè)量、激光功率穩(wěn)定度、探測(cè)器定位、前置放大器校準(zhǔn)、測(cè)量重復(fù)性;其中低溫輻射計(jì)功率測(cè)量(含窗口透射比)分量最大，為0.017%。

西安205所測(cè)量結(jié)果的合成測(cè)量不確定度為0.02%，不確定度分量包括低溫輻射計(jì)功率測(cè)量、窗口透射比、前置放大器校準(zhǔn)、雜散光、響應(yīng)電壓測(cè)量、測(cè)量重復(fù)性;其中前3項(xiàng)較大的分量均為0.01%。

中國計(jì)量院測(cè)量結(jié)果的合成測(cè)量不確定度為0.015%，不確定度分量包括低溫輻射計(jì)功率測(cè)量、前置放大器校準(zhǔn)、響應(yīng)電壓測(cè)量、測(cè)量重復(fù)性;其中前兩項(xiàng)較大的分量均為0.01%。

主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室中國計(jì)量院在整個(gè)比對(duì)過程中對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)的漂移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，且傳遞標(biāo)準(zhǔn)的漂移小于0.005%，因此中國計(jì)量院的功率響應(yīng)度測(cè)量結(jié)果取3次監(jiān)測(cè)結(jié)果的平均值。

3.2 比對(duì)參考值計(jì)算

比對(duì)共同參考值的計(jì)算采用國際常用的加權(quán)平均法：使用xi(每個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值)和ui(此不確定度包含了每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量不確定度和與傳遞探測(cè)器相關(guān)的不確定度)計(jì)算加權(quán)平均值，在加權(quán)平均值中，與每個(gè)結(jié)果xi相關(guān)的權(quán)重wi可以從不確定度ui中計(jì)算出來：

(1)，

則加權(quán)平均值為

(2)，

其中，與傳遞探測(cè)器相關(guān)的比對(duì)測(cè)量不確定度是由探測(cè)器本身特性所決定。與傳遞探測(cè)器相關(guān)的比對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)定如表4所示，包括均勻性、溫度特性、角度特性、偏振特性及探測(cè)器漂移等，最終合成的不確定度為0.009%。

表4 與傳遞探測(cè)器相關(guān)的比對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)定Tab.4 Uncertainties associated with the transfer detectors for comparing results.

根據(jù)第3.1節(jié)的測(cè)量結(jié)果與表4數(shù)據(jù)，利用式(2)計(jì)算此次比對(duì)的加權(quán)平均值，可得表5的結(jié)果。

表5 比對(duì)加權(quán)平均值與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.5 Weighted mean of comparison results and relative standard uncertainty

3.3 比對(duì)結(jié)果

計(jì)算各參比實(shí)驗(yàn)室相對(duì)于加權(quán)平均值的相對(duì)偏差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(包含了每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量不確定度、與傳遞探測(cè)器相關(guān)的不確定度與加權(quán)平均值的不確定度)，可得表6與表7。

表6 2001SI探測(cè)器相對(duì)參考值的偏差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.6 Relative difference from the reference value of 2001SI and relative standard uncertainty 10-4

表7 2003SI探測(cè)器相對(duì)參考值的偏差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.7 Relative difference from the reference value of 2003SI and relative standard uncertainty 10-4

將表6與表7的數(shù)據(jù)用國際通用的棒狀圖方式表示，如圖3與圖4所示，圓點(diǎn)表示相對(duì)參考值的偏差，棒的長度表示不確定度。

圖3 2001SI探測(cè)器比對(duì)結(jié)果Fig.3 Relative difference in the calibration of the transfer detectors 2001SI.

圖4 2003SI探測(cè)器比對(duì)結(jié)果Fig.4 Relative difference in the calibration of the transfer detectors 2003SI.

將表6與表7的數(shù)據(jù)用歸一化偏差En值[19，20]的方式表示，如表8所示，各實(shí)驗(yàn)室的En值均遠(yuǎn)小于1。

表8 實(shí)驗(yàn)室比對(duì)的歸一化偏差En值Tab.8 En value of comparison for two transfer standards

4 結(jié) 論

隨著低溫輻射計(jì)的制作工藝進(jìn)步以及吸收腔的高吸收率涂層與腔型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在較寬波長范圍內(nèi)腔體對(duì)光輻射的吸收比較容易實(shí)現(xiàn)在0.999 9以上，因此此次比對(duì)結(jié)果可作為低溫輻射計(jì)在不同波長下光輻射功率絕對(duì)測(cè)量能力的參考依據(jù)。

各參比實(shí)驗(yàn)室相對(duì)于比對(duì)參考值的測(cè)量偏差在±0.02%之內(nèi)，各參比實(shí)驗(yàn)室的En值均遠(yuǎn)小于1，證實(shí)了各參比實(shí)驗(yàn)室的基于各種類型和來源的低溫輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。這既表明了各參比實(shí)驗(yàn)室的光輻射功率測(cè)量能力的一致性，也表明了各參比實(shí)驗(yàn)室使用低溫輻射計(jì)進(jìn)行對(duì)陷阱探測(cè)器等進(jìn)行量值傳遞的能力。